為音頻放大器設(shè)計(jì)電源時(shí)必須特別考慮。與標(biāo)準(zhǔn)隔離電源相比，音頻信號(hào)的非線性特性帶來了不同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。此電源提示涵蓋了為音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)半橋 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (HB LLC-SRC) 的必備知識(shí)。

音頻電源

您在廣泛的電氣工程領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)的一件事是，不同的行業(yè)甚至公司可能會(huì)使用不同的語言來描述同一主題。對于成功的設(shè)計(jì)，電源和音頻工程師必須相互了解。

首先需要定義的兩個(gè)術(shù)語是峰值功率和連續(xù)功率。峰值功率是最大瞬時(shí)音頻功率。它將決定為物理輸出的電源設(shè)計(jì)多少功率。連續(xù)功率是一段時(shí)間內(nèi)平均的音頻功率。在電源設(shè)計(jì)的背景下，連續(xù)功率是系統(tǒng)在不超過組件溫度或平均電流額定值的情況下可以提供的指定輸出功率。圖 1提供了峰值和連續(xù)音頻電平的示例。它們與波峰因數(shù)相關(guān)，波峰因數(shù)是波形峰值與均方根 (RMS) 值之比的度量。

圖 1此圖顯示了連續(xù)和峰值功率音頻電平。

它也可以用以下等式以分貝表示：

RMS 在音頻功率方面用詞不當(dāng)，因?yàn)樵撝翟诩夹g(shù)上不是功率波形的計(jì)算 RMS 值。可以寫另一篇關(guān)于如何指定音頻放大器的復(fù)雜性的文章。了解額定放大器功率水平的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一定明確電源要求在峰值和連續(xù)功率方面是什么。

例如，考慮用于 400W 音頻放大器的 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC) 設(shè)計(jì)。如果沒有音頻系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，您就可以設(shè)計(jì)出出色的 400 W 電源。但是當(dāng)需要為放大器加電時(shí)，電源出現(xiàn)故障，或者音頻質(zhì)量很差。LLC 轉(zhuǎn)換器增益曲線通常根據(jù)最大負(fù)載進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在最小線路條件下在串聯(lián)諧振頻率附近工作。這種方法通常會(huì)產(chǎn)生完美的 400-W LLC-SRC，但在實(shí)際音頻系統(tǒng)中，峰值功率實(shí)際上會(huì)大于放大器的 400-W 額定值。在開始電源設(shè)計(jì)之前，至少應(yīng)指定連續(xù)功率和峰值功率。

對于 400 W 放大器示例，消費(fèi)類產(chǎn)品播放壓縮音樂的適當(dāng)功率水平可以是 200 W 的連續(xù)功率和 800 W 的峰值功率，持續(xù) 15 毫秒。這代表 12 dB 的波峰因數(shù)，這是處理音樂的典型值。未處理的音頻大約為 18-20 dB，電影音頻可能大于 20 dB。最終，峰值功率與連續(xù)功率之比取決于具體應(yīng)用，因此在設(shè)計(jì)過程的早期明確定義這些非常重要。不同負(fù)載水平的持續(xù)時(shí)間要求也有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)。請記住，需要考慮音頻放大器的效率，因?yàn)榉糯笃髦袝?huì)有損耗，從而導(dǎo)致電源負(fù)載更高。

LLC-SRC設(shè)計(jì)

規(guī)格確定后，您可以繼續(xù)進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。根據(jù)地區(qū)和應(yīng)用的電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，您可能需要一個(gè)功率因數(shù)校正 (PFC) 電源來進(jìn)行這種功率級別的設(shè)計(jì)。PFC 前端將提供穩(wěn)定的 400VDC 總線，用作 LLC-SRC 的輸入。

與大多數(shù)諧振轉(zhuǎn)換器一樣，設(shè)計(jì) LLC-SRC 的第一步是選擇諧振回路組件。這將設(shè)置諧振頻率并塑造增益曲線。在這一步，確保輸出電壓可以達(dá)到峰值功率水平。如果諧振回路不能達(dá)到所需的增益，則輸出電壓將在音頻峰值下降，從而降低音頻質(zhì)量或關(guān)閉放大器。對于輸出電容器而言，峰值功率持續(xù)時(shí)間要求通常太長，無法保持輸出電壓，因此電源需要能夠?qū)嶋H提供整個(gè)峰值負(fù)載。

在峰值增益上增加一些額外的空間。變壓器結(jié)構(gòu)的物理限制并不總是達(dá)到確切的匝數(shù)或電感數(shù)。對于需要達(dá)到高峰值功率的音頻設(shè)計(jì)，使用分立諧振電感器來確保更精確的諧振和磁化電感是有利的。

在峰值功率下，選擇額定處理峰值電流的組件很重要。在設(shè)計(jì)磁性元件時(shí)，請確保它們不會(huì)飽和。在連續(xù)功率下，重要的是根據(jù)連續(xù)熱性能選擇組件和封裝。設(shè)計(jì)人員可以縮小一些封裝的尺寸，并使用 PCB 進(jìn)行熱管理而不是散熱器。

與任何 LLC-SRC 一樣，增益曲線的整形是一個(gè)迭代過程。嘗試達(dá)到特定的工作頻率、諧振電流和電壓并在峰值和連續(xù)功率水平之間平衡設(shè)計(jì)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，您需要調(diào)整磁化電感、諧振電感、匝數(shù)比和諧振電容。100 kHz 是硅基設(shè)計(jì)的常見諧振頻率目標(biāo)。對于音頻應(yīng)用，連續(xù)功率工作點(diǎn)的目標(biāo)頻率為 100 kHz 是有意義的。圖 2顯示了針對上述示例的增益曲線。工作頻率范圍為 83–139 kHz。

圖 2該增益曲線針對 LLC-SRC 設(shè)計(jì)進(jìn)行整形。

突發(fā)模式

現(xiàn)代 LLC-SRC 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載效率的突發(fā)模式操作。突發(fā)模式也用于滿足行業(yè)待機(jī)電源規(guī)定。當(dāng)突發(fā)數(shù)據(jù)包頻率在可聽噪聲范圍內(nèi)時(shí)，可聽噪聲是一個(gè)問題，但一些 LLC 諧振控制器（如UCC256404）使用突發(fā)模式控制法則來防止突發(fā)頻率產(chǎn)生的可聽噪聲。這是三種方法，以及選擇它們的可能原因：

1. 啟用突發(fā)模式：使用突發(fā)模式可在不關(guān)閉主輸出的情況下降低待機(jī)功耗。電源將立即提供給放大器，不會(huì)因電源啟動(dòng)而延遲。
2. 禁用突發(fā)模式：在待機(jī)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換器需要使用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)操作來調(diào)節(jié)輸出。這會(huì)降低輕負(fù)載效率，但可以降低復(fù)雜性并進(jìn)一步消除任何可聽噪聲問題，例如次級側(cè)整流器寄生效應(yīng)對增益曲線的影響。圖 3顯示了增益曲線如何在更高頻率下實(shí)際開始上升。如果無法達(dá)到最小增益，電源將失去調(diào)節(jié)。

圖 3在禁用突發(fā)模式的情況下，增益曲線將在較高頻率下開始上升。

1. 外部控制器禁用：當(dāng)音頻放大器未運(yùn)行時(shí)，使用外部禁用電路關(guān)閉控制器。與突發(fā)模式相比，這進(jìn)一步降低了待機(jī)功耗，但由于系統(tǒng)現(xiàn)在需要輔助電源，因此增加了成本。當(dāng)放大器準(zhǔn)備好輸出音頻時(shí)，也會(huì)有一個(gè)啟動(dòng)延遲。

LLC-SRC 是一種高性能拓?fù)?，適用于 100 到 500 W 之間的連續(xù)功率范圍。它是需要高效率和最小電磁干擾 (EMI) 的 AC-DC 系統(tǒng)的出色拓?fù)?。諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)具有足夠的挑戰(zhàn)性，即使在應(yīng)用于復(fù)雜的音頻系統(tǒng)之前也是如此。第一步是電源工程師和音頻工程師之間就放大器所需的峰值和連續(xù)功率水平相互了解。將上述策略視為成功的 LLC-SRC 音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。

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